Metody modifikace topografie strojních prvků

Transkript

1 Metody modifikace topografie strojních prvků, M.Omasta Ústav konstruování Odbor metodiky konstruování Fakulta strojního inženýrství Vysoké učení technické v Brně, vytvořeno v rámci projektu FRVŠ 2452/2010

2 OSNOVA Formulace problému Úvod do problematiky Experimentální zařízení Realizace cílené modifikace topografie Příklady výsledků a získaných poznatků Závěr Drag reduction -reduction.html 1/20

3 FORMULACE PROBLÉMU během provozu strojních součástí může dojít ke styku třecích povrchů, tření a opotřebení přístupy: mazivostní přísady, úprava třecích povrchů vhodné navržení geometrie povrchové textury může napomáhat dodání maziva do kontaktu v kritických fázích provozu a zároveň prodloužit únavovou životnost součásti Opotřebení zadíráním Poškození povrchu pittingem 2/20

4 ÚVOD DO PROBLEMATIKY KONTAKTNÍ ÚNAVA poškozování povrchů díky cyklickému namáhání (dotykem v jednom bodě nebo jedné oblasti) popis a studium kontaktní únavy se dále zabývá analýzou vlivů působících na rychlost opotřebení zkoumání iniciačních podmínek kontaktní únavy (vlivy mazání, povrchových úprav) šíření trhlin pod povrchem matriálu (růst na povrch, následné odlamování materiálu) 3/20

5 ÚVOD DO PROBLEMATIKY PROJEVY POŠKOZOVÁNÍ KONTAKTNÍ ÚNAVOU smýkáním odvalováním kombinace Vzájemný pohyb těles Mechanismus opotřebení Adheze Abraze Povrchová únava Eroze Projevy opotřebení Zadírání, odřené plošky, důlky, plastické odstříhávání materiálu, přenos materiálu Škrábance, rýhy, zvlnění Trhliny, pitting Produkty chemické reakce, částice materiálu, vrstvy materiálu 4/20

6 ÚVOD DO PROBLEMATIKY PROJEVY POŠKOZOVÁNÍ KONTAKTNÍ ÚNAVOU pitting důlky v povrchu materiálu spalling odlupování vrstev materiálu gears.com 5/20

7 ÚVOD DO PROBLEMATIKY Přirozená Modifikace topografie Cílená nahodile rozmístěné vtisky XU, G., SADEGHI, F., COGDELL, J. D., 1997 dokončovací operace kontaminace maziva AKAMATSU, Y. el. al., 1991 KANG, Y. S., SADEGHI, F., Ai, X., 2000 NAKTSUI, T., MORI, A., 2001 kontaminace maziva cílená modifikace UEDA, T., MITAMURA, N., 2008 Kombinace zásobník maziva různé provozní podmínky textura x jediný vtisk v kontaktní stopě chování mazacího filmu v kontaktu CUSANO, C., WEDEVEN, L. D., 1982 XU., G., SADEGHI, F., CODGELL, J. D., 1997 ZHAI, X. et. al., 1997; KŘUPKA, I., 2007 koncentrátor napětí vliv vtisku na rozložení tlaku v kontaktu numerické analýzy x experiment vliv vtisků na únavovou životnost HOWELL, M. B., RUBIN, C. A., HAHN, G. T., 2004 NÉLIAS, D., VILLE, F., 2000; ANTALUCA, E., NÉLIAS, D., 2008 XU, G., SADEGHI, F., HOEPRICH, M.R., 1998; NÉLIAS, D., /20

8 ÚVOD DO PROBLEMATIKY MODIFIKACE TOPOGRAFIE - SURFACE TEXTURING Přirozená modifikace topografie třecích povrchů dokončovací operace kontaminace maziva hydrodynamické mazání LST textura na třecím povrchu Etsion, I.: LST technology, 2008 Cílená modifikace topografie třecích povrchů vytvoření soustavy mikrodůlků na třecích površích snížení tření a opotřebení třecích povrchů konformní povrchy nekonformní povrchy hydrodynamické x smíšené (částečné EHD) mazání Mikrostruktura kůže žraloka, snižující tření s okolním prostředím Hsu, S., M., Surface texturing, /20

9 ÚVOD DO PROBLEMATIKY ZPŮSOBY REALIZACE TEXTUR Mechanické metody Litografické metody Povlakování Paprskem energie Typy povrchových textur Mechanicky princip vyrážení vtisků (Rockwell) Laserem technologie LST (Laser Surface Texturing) Kovalchenko et. al., /20

10 ÚVOD DO PROBLEMATIKY Vliv modifikace topografie na kontaktní oblast XU, G., SADEGHI, F., HOEPRICH, M. R, Journal of Tribology, 1998 NÉLIAS, D., VILLE, F., Journal of Tribology, 2000 ZHAI, X. et. al., Tribology Transactions, /20

11 ÚVOD DO PROBLEMATIKY HYPOTÉZY FUNKCE TEXTURY NA TŘECÍM POVRCHU SOUČÁSTI Zásobník maziva různé provozní podmínky textura x jediný vtisk v kontaktní stopě chování mazacího filmu v kontaktu CUSANO, C., WEDEVEN, L. D., 1982 XU., G., SADEGHI, F., CODGELL, J. D., 1997 ZHAI, X. et. al., 1997; KŘUPKA, I., 2007 Koncentrátor napětí numerické analýzy x experiment vliv vtisku na rozložení tlaku v kontaktu HOWELL, M. B., RUBIN, C. A., HAHN, G. T., 2004 NÉLIAS, d. et. al., 2005 vliv vtisků na únavovou životnost NÉLIAS, D., VILLE, F., 2000; ANTALUCA, E., NÉLIAS, D., 2008 XU, G., SADEGHI, F., HOEPRICH, M.R., 1998; NÉLIAS, D., V.M.M.B da Mota et al., 2008; UEDA, T., MITAMURA, N.: lubrication film thickness H [-] pressure P [-] X distance [-] 0 10/20

12 EXPERIMENTÁLNÍ ZAŘÍZENÍ Texturovací přípravek - INDENTOR Výhody: dobře definovaná geometrie vtisku snadná kontrola tvorby textur různé geometrie textur Rotační posuv vzorku, Vertikální posuv Indentoru Krokové motory Horizontální posuv vzorku Motorizovaný lineární posuv Řízení a kontrola celého procesu tvorby textury na třecím povrchu ROTACE ZATÍŽENÍ Nevýhody: časová náročnost na tvorbu textury POSUV 11/20

13 EXPERIMENTÁLNÍ ZAŘÍZENÍ Simulátor reálných podmínek R-Mat RCF TESTY kruhový kontakt mezi diskem a vzorkem materiál disků a vzorků: ocel AISI kontaktní tlak 5 GPa, průměr kontaktní oblasti 600 µm Model zkušebního vzorku drsnost povrchů: vzorek Ra 0,1 µm disky Ra 0,1 µm parametr mazání Λ = 0,4 0,6 (smíšené mazání) Ukončení měření výskyt povrchového poškození Model experimentálního zařízení R MAT monitorování vibrací 12/20

14 REALIZACE CÍLENÉ MODIFIKACE TOPOGRAFIE GEOMETRIE TEXTUR Textury T1, T2: mezi řadami: 75µm mezi vtisky: 150µm hloubka: 0,6 µm a 1,45 µm Textury T3, T4: mezi řadami: 75µm mezi vtisky: 75µm hloubka: 0,6 µm Vrbka M, et al. Effect of surface texturing on rolling contact fatigue within mixed lubricated non-conformal rolling/sliding contacts. Tribol Int (2010), doi: /j.triboint /20

15 REALIZACE CÍLENÉ MODIFIKACE TOPOGRAFIE 3D GEOMETRIE TEXTUR Vrbka M, et al. Effect of surface texturing on rolling contact fatigue within mixed lubricated nonconformal rolling/sliding contacts. Tribol Int (2010), doi: /j.triboint /20

16 PŘÍKLADY VÝSLEDKŮ A ZÍSKANÝCH POZNATKŮ POZOROVANÉ PORUŠENÍ Vrbka M, et al. Effect of surface texturing on rolling contact fatigue within mixed lubricated nonconformal rolling/sliding contacts. Tribol Int (2010), doi: /j.triboint /20

17 PŘÍKLADY VÝSLEDKŮ A ZÍSKANÝCH POZNATKŮ 1,20E+07 1,00E+07 1,10E+07 1,00E+07 cykly do porušení 8,00E+06 6,00E+06 4,00E+06 2,00E+06 8,20E+05 2,30E+06 8,70E+05 0,00E+00 Bez textury T1 T2 T3 T4 16/20

18 PŘÍKLADY VÝSLEDKŮ A ZÍSKANÝCH POZNATKŮ Hloubka vtisků: 400nm Kontaktní tlak: 5 GPa Průměr kontaktní oblasti: 0,61 mm 3,0E+07 2,5E+07 Počet cyklů do porušení 2,0E+07 1,5E+07 1,0E+07 5,0E+06 0,0E+00 stopy s texturou textura 2 textura 3 textura 4 textura 5 stopa bez text. 2 stopa bez text. 3 stopy bez textury stopa bez text. stopa bez text. stopa bez text stopa bez text. 7 stopa bez text. 8 17/20

19 PŘÍKLADY VÝSLEDKŮ A ZÍSKANÝCH POZNATKŮ Hloubka vtisků: Kontaktní tlak: Průměr kontaktní oblasti: 800nm 5 GPa 0,61 mm 3,0E+07 2,5E+07 Počet cyklů do porušení 2,0E+07 1,5E+07 1,0E+07 5,0E+06 0,0E+00 stopy s texturou textura 2 textura 3 textura 4 textura 5 stopa bez text. 2 stopa bez text. 3 stopy bez textury stopa bez text. stopa bez text. stopa bez text stopa bez text. 7 stopa bez text. 8 18/20

20 PŘÍKLADY VÝSLEDKŮ A ZÍSKANÝCH POZNATKŮ ZÁVĚR geometrie textury ovlivňuje životnost hloubka a hustota vtisků mělké vtisky (0,6 µm) zvýšení životnosti rozložení vtisků bez výrazného vlivu vhodné rozložení povrchové textury (za konkrétních podmínek) zvýšení životnosti 19/20

21 Děkuji vám za pozornost O. Šamánek Ústav konstruování Odbor metodiky konstruování Fakulta strojního inženýrství Vysoké učení technické v Brně, vytvořeno v rámci projektu FRVŠ 2452/2010